Spar平臺垂蕩-縱搖耦合非線性運動的數值模擬.pdf

1、Spar平臺用于深海采油、鉆井及作業(yè)。由于平臺吃水較深，平臺主體所受垂向波浪載荷和垂蕩運動幅值均較小，一般海況下，表現出良好的運動性能。然而當波浪周期較長或者遭遇涌浪環(huán)境時，可能激發(fā)起垂蕩-縱搖耦合不穩(wěn)定運動。本文研究的主要目標是找出這些臨界波浪周期，揭示平臺失穩(wěn)的規(guī)律，為Spar平臺的設計和海上安全作業(yè)提供指導。 本文建立了經典式Spar平臺在規(guī)則波作用下的垂蕩-縱搖非線性方程，考慮二自由度耦合運動時回復力矩的非線性，采用一階

2、繞射理論和一階輻射理論求解作用于平臺主體上的水動力載荷，在數值計算時，阻尼的選取來自于算例系列模型試驗，參考了工程經驗值。在Matlab7.1平臺上，編制了四階龍格庫塔數值算法，用于計算垂蕩，縱搖耦合非線性運動及穩(wěn)定性分析。整個程序代碼分為兩個模塊即水動力載荷程序模塊和垂蕩，縱搖二自由度耦合運動模塊。 在較大范圍的波浪參數條件下，數值模擬了Spar平臺垂蕩一縱搖耦合非線性運動，研究發(fā)現平臺發(fā)生失穩(wěn)集中在下面兩種情況：當Spar平

3、臺的垂蕩固有周期是縱搖固有周期的一半時，波浪激勵周期與垂蕩固有周期相等或者接近，大垂蕩運動引起耦合的縱搖不穩(wěn)定運動。潛在的機理是大幅值的垂蕩運動導致平臺的瞬時初穩(wěn)性高為負，垂蕩能量向縱搖滲透導致縱搖發(fā)生馬休不穩(wěn)定運動。Spar平臺發(fā)生失穩(wěn)另一個臨界波浪周期在20s左右，對任何Spar平臺都會發(fā)生垂蕩-縱搖耦合非線性運動的相互放大效應。引入垂蕩包絡線概念，當垂蕩運動的包絡線周期與縱搖的固有周期接近時，會誘發(fā)縱搖不穩(wěn)定運動的發(fā)生。縱搖運動對

4、垂蕩運動的耦合影響會引起垂蕩共振運動，這種相互放大效應表現在模型試驗上是一種“舞動”現象，垂蕩-縱搖運動幅值同步增加，顯著影響了平臺的不穩(wěn)定性，在以往的研究中，忽略了對這種現象的重視，更值得引起我們的注意。 論文的研究結果顯示：平臺的初穩(wěn)性高、垂蕩阻尼和縱搖阻尼對Spar平臺的不穩(wěn)定運動及控制起著十分重要的作用。 利用MOSES軟件編程模擬Spar平臺在規(guī)則波作用下的垂蕩-縱搖耦合不穩(wěn)定運動，考慮了系纜對平臺的影響，與數